Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een manier gevonden om metingen die zijn gedaan door een apparaat dat integraal deel uitmaakt van de fabricage van microchips en andere industrieën, rechtstreeks te koppelen aan het onlangs opnieuw gedefinieerde International System of Units (SI, het moderne metrieke stelsel). Die traceerbaarheid kan het vertrouwen van gebruikers in hun metingen aanzienlijk vergroten, omdat de SI nu volledig is gebaseerd op fundamentele natuurconstanten.

Het apparaat, een schijf ter grootte van een dubbeltje die een kwartskristalmicrobalans (QCM) wordt genoemd, is van cruciaal belang voor bedrijven die vertrouwen op nauwkeurige controle van de vorming van dunne films. Zeer dun:ze variëren van micrometers (miljoensten van een meter) tot enkele tientallen nanometers (miljardsten van een meter, of ongeveer 10, 000 keer dunner dan een mensenhaar) en worden meestal geproduceerd in een vacuümkamer door een doeloppervlak bloot te stellen aan een nauwkeurig gereguleerde hoeveelheid chemische damp die aan het oppervlak kleeft en de film vormt. Hoe groter de blootstelling, hoe dikker de folie.

Dunne films zijn essentiële componenten in elektronische halfgeleiderapparaten, optische deklagen voor lenzen, LED's, zonnepanelen, magnetische opnamemedia voor computergebruik, en vele andere technologieën. Ze worden ook gebruikt in technologieën die de concentratie van microbiële verontreinigingen in de lucht meten, ziekteverwekkers in de watervoorziening, en het aantal micro-organismen dat zich tijdens infectie aan biologische oppervlakken hecht.

Al die toepassingen vereisen uiterst nauwkeurige metingen van de dikte van de film. Omdat dat moeilijk direct te meten is, fabrikanten gebruiken vaak QCM's, die een waardevolle eigenschap hebben:Wanneer er wisselstroom op wordt toegepast, ze trillen met een resonantiefrequentie die uniek is voor elke schijf en zijn massa.

Om precies te bepalen hoeveel filmmateriaal er wordt afgezet, ze plaatsen de QCM-schijf in de vacuümkamer en meten de resonantiefrequentie ervan. Vervolgens wordt de schijf blootgesteld aan een chemische damp. Hoe meer damp er aan de QCM hecht, hoe groter zijn massa - en hoe langzamer hij trilt. Die verandering in frequentie is een gevoelige maat voor de toegevoegde massa.

"Maar ondanks de alomtegenwoordige implementatie van QCM's in de industrie en de academische wereld, " zei NIST-natuurkundige en hoofdonderzoeker Corey Stambaugh, "een directe link naar de SI-eenheid van massa heeft niet bestaan." De relatie tussen de SI-eenheid van massa (de kilogram) en resonantiefrequentie wordt verondersteld goed te zijn gekarakteriseerd na tientallen jaren van QCM-metingen. Maar door de jaren heen industrie heeft bij NIST navraag gedaan over de absolute massanauwkeurigheid van deze frequentiemetingen. De nieuwe resultaten gepresenteerd door Stambaugh en collega's zijn in grote mate een antwoord op die vragen.

"We verwachten dat onze bevindingen een nieuwe, hogere mate van zekerheid in QCM-metingen door traceerbaarheid naar de nieuwe SI te bieden, " zei NIST-natuurkundige Joshua Pomeroy, die samen met Stambaugh en anderen hun bevindingen vandaag in het tijdschrift rapporteren? Metrologie . De herdefinitie van de SI-eenheden in mei 2019 elimineerde de vorige metalen prototype kilogram als standaard en definieerde in plaats daarvan de kilogram in termen van een kwantumconstante.

In de nieuwe SI, massa op kilogramniveau zal in de Verenigde Staten worden gerealiseerd met behulp van die constante in NIST's Kibble-balans.

In de nieuwe SI, NIST Ze hebben ook een standaard instrument ontwikkeld, de zogenaamde elektrostatische krachtbalans (EFB), dat zorgt voor een uiterst nauwkeurige meting van massa's in het milligrambereik en lager), die direct zijn gekoppeld aan de SI door middel van een kwantumconstante. De EFB voorzag het team van referentiemassa's ter grootte van een milligram met een precisie in de orde van een fractie van een microgram (1/1, 000, 000ste van 1 gram, of ongeveer een miljoenste van de massa van een gemiddelde paperclip).

Stambaugh en collega's wogen zorgvuldig een ongecoate kwartsschijf, vervolgens opgehangen in een vacuümkamer en de resonantiefrequentie gemeten. Ongeveer 0,5 meter (20 inch) onder de schijf was een oven die een hoeveelheid goud verwarmde tot 1480 C (2700 F). Gouddamp uit de oven steeg op en hechtte zich aan het onderoppervlak van de QCM, het vergroten van de massa en dus het vertragen van de resonantiefrequentie. De wetenschappers herhaalden de procedure met verschillende tijdsintervallen en dus verschillende hoeveelheden massa-aanwas. werd herhaald met verschillende tijdsintervallen. De onderzoekers deponeerden gouddamp gedurende verschillende tijdsintervallen en registreerden de daaropvolgende veranderingen in resonantiefrequentie. Ze wogen de schijf opnieuw met dezelfde EFB-referentiemassa's. Dit leverde een nauwkeurige meting van de verandering in massa, en verschafte aldus een exacte maatstaf voor de hoeveelheid ingelegd goud.

In de loop van het werk, het team voerde ook een volledige beoordeling uit van de onzekerheden in de QCM-metingen. Ze identificeerden de meest nauwkeurige wiskundige methode om de toevoeging van massa te correleren met de verandering in de resonantiefrequentie van de QCM.

"Dit werk biedt een belangrijke stap in een techniek voor het traceerbaar volgen - en dus corrigeren van - massale veranderingen in de loop van de tijd, " zei NIST-natuurkundige Zeina Kubarych.

In dat opzicht, de nieuwe bevindingen kunnen helpen bij het verbeteren van de manier waarop massa wordt verspreid volgens de nieuwe SI-definitie. De nieuwe kilogram wordt 'gerealiseerd' - geconverteerd van een abstracte definitie naar een fysieke realiteit - door middel van zeer gecontroleerde laboratoriummetingen in een vacuümkamer. Maar de werknormen van de kilogram zullen worden verspreid - fysiek geleverd aan meetwetenschappelijke laboratoria - in de vorm van metalen massa's in de open lucht. Dat betekent dat waterdamp en al het andere in de lucht kan adsorberen op het oppervlak van een kilogram werkstandaard, waardoor onnauwkeurige meting van de massa.

Omdat vochtigheid en luchtverontreinigingen over de hele wereld aanzienlijk verschillen, metingen van een zorgvuldig gekalibreerde massastandaard kunnen van plaats tot plaats aanzienlijk verschillen met de nauwkeurigheidsniveaus die nodig zijn voor industriële en wetenschappelijke metrologie. Indien, echter, een gekalibreerde QCM zou elke standaard vergezellen, het zou een nauwkeurige meting kunnen geven van de hoeveelheid materiaal die tijdens het transport en op de bestemming is geadsorbeerd, de laboratoria helpen om nauwkeurigere definities van de nieuwe kilogram te verkrijgen, rekening houdend met de omgevingsomstandigheden.